DE19943142A1

DE19943142A1 - Direct fuel injection dosing/proportioning device especially for petrol and diesel-powered combustion engines

Info

Publication number: DE19943142A1
Application number: DE1999143142
Authority: DE
Inventors: Bernhard Gottlieb; Andreas Kappel; Randolf Mock; Hans Meixner
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1999-09-09
Filing date: 1999-09-09
Publication date: 2001-04-12

Abstract

A fuel dosing/proportioning device has an axially- displaceable needle (20,30) carried in a housing (17) and forming together with one wall of the housing (17) an externally opening valve. An actuator cavity is provided for receiving an electromechanical actuator, which is supported on the housing (17) and by means of an expansion of the actuator the valve needle (20,30) is lifted in a controlled manner so as to open and close the valve. With positioning of the valve needle (20,30) on a valve seat (2) of the valve, at least one pressurisable boring (14) opens out into sealing face formed by the valve needle (20,30) and the valve seat(2).

Description

Die Erfindung betrifft eine Dosiervorrichtung, insbesondere zur Einspritzung von Kraftstoff in eine Brennkammer.The invention relates to a metering device, in particular for injecting fuel into a combustion chamber.

Aus DE 43 06 072 C2 ist eine Dosiervorrichtung bekannt, bei der in einem Gehäuse eine Ventilnadel axial verschiebbar ge führt wird, wobei die Ventilnadel zusammen mit einer Wand des Gehäuses ein nach außen öffnendes Ventil darstellt. Weiterhin ist ein Aktorraum zur Aufnahme eines Piezoaktors vorhanden, welcher sich einerseits an dem Gehäuse abstützt und anderer seits eine Hydraulikkammer begrenzt. Mittels einer Dehnung des Piezoaktors ist über die Hydraulikkammer ein Hub der Ven tilnadel steuerbar. Innerhalb des Gehäuses befindet sich ein druckbeaufschlagbarer Ventilraum, über den Fluid durch das Ventil nach außen abgebbar ist.A dosing device is known from DE 43 06 072 C2 the ge in a housing a valve needle axially displaceable leads, the valve needle together with a wall of the Housing represents an outward opening valve. Farther there is an actuator space for receiving a piezo actuator, which is supported on the one hand on the housing and others a hydraulic chamber limited. By stretching of the piezo actuator is a stroke of the Ven via the hydraulic chamber tilnadel controllable. There is a inside the housing pressurizable valve chamber, via the fluid through the Valve can be dispensed to the outside.

Aus "Das Common-Rail-Einspritzsystem - ein neues Kapitel der Diesel-Einspritz-Technik", MTZ Motortechnische Zeitschrift 58 (1997) 10, S. 576 ist eine Einspritzdüse mit einem optimier ten Sitz und einer beschichteten Ventilnadel offenbart, bei der durch eine Verschiebung der nach innen öffnenden Ventil nadel eine Verbindung zwischen einer Einspritzöffnung und ei nem druckbeaufschlagbaren Ventilraum herstellbar ist. Auf Seite 594 werden verschiedene Formen der Kraftstoffaufberei tung dargestellt, bei denen jedesmal eine Einspritzöffnung in einer Verbindung mit einem druckbeaufschlagten Ventilraum steht.From "The Common Rail Injection System - A New Chapter in Diesel Injection Technology", MTZ Motortechnische Zeitschrift 58 ( 1997 ) 10, p. 576, an injection nozzle with an optimized seat and a coated valve needle is disclosed, in which by a Displacement of the inwardly opening valve needle a connection between an injection opening and egg nem pressurizable valve chamber can be established. On page 594 various forms of fuel processing are shown, each of which has an injection opening in communication with a pressurized valve chamber.

Bei diesen bekannten Dosiervorrichtungen ergibt sich der Nachteil, daß die Antriebseinheit gegenüber dem druckbeauf schlagten Ventilraum temperaturstabil und dauerstandfest ab gedichtet werden muß. Dieses Problem tritt insbesondere bei einer Hochdruckbefüllung des Ventilraums auf. In these known metering devices, the Disadvantage that the drive unit compared to the pressurized knocked valve room temperature stable and durable must be sealed. This problem occurs in particular high-pressure filling of the valve chamber.

Weiterhin tritt das Problem auf, daß das in der Dosiervor richtung gespeicherte Fluid, welches sich beispielsweise im Ventilraum und in einer Zuleitung zwischen Ventilraum und Do sieröffnung befindet, wie ein Druckspeicher wirkt und bei ei nem schnellen Öffnen der Dosiervorrichtung ein Einstellen ei nes Gleichgewichtsdruckes verzögert. Dadurch wird auch ein Einstellen eines Gleichgewichts-Volumenstroms erschwert, wo durch eine exakte Dosierung kleiner Dosiermengen gestört wird.Furthermore, there is the problem that this is in the dosing direction stored fluid which, for example, in the Valve room and in a supply line between the valve room and Do. sier opening is how a pressure accumulator works and at egg When the dosing device is opened quickly, an adjustment is made equilibrium pressure is delayed. This also becomes a Setting an equilibrium volume flow is difficult where disrupted by exact dosing of small dosing quantities becomes.

Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Dosier vorrichtung mit einer verzögerungsarmen Möglichkeit zur exak ten Dosierung auch kleiner Mengen bereitzustellen.It is an object of the present invention to dispense device with a low-delay possibility for exact dosing even small quantities.

Es ist eine weitere Aufgabe, eine Dosiervorrichtung mit einer temperaturstabilen und dauerstandfesten Abdichtung der An triebseinheit gegenüber dem Ventilraum bereitzustellen.It is another object to use a dosing device Temperature-stable and long-term sealing of the An To provide drive unit opposite the valve compartment.

Diese Aufgaben werden mittels einer Dosiervorrichtung gemäß des Patentanspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind den Unteransprüchen entnehmbar.These tasks are performed using a dosing device of claim 1 solved. Advantageous configurations can be found in the subclaims.

Die Dosiervorrichtung weist eine Ventilnadel auf, welche in einem Gehäuse axialverschiebbar führbar ist. Zusammen mit einer Wand des Gehäuses formt die Ventilnadel ein nach außen öffnendes Ventil, über das Fluid abgebbar ist. Unter einem nach außen öffnenden Ventil wird dabei allgemein ein Ventil verstanden, bei dem zur Öffnung des Ventils die Ventilnadel durch eine Verschiebung aus dem Gehäuse heraus von einem Ventilsitz abgehoben wird.The metering device has a valve needle, which in a housing is axially displaceable. Along with The valve needle forms a wall on the outside of the housing opening valve through which fluid can be dispensed. Under a outwardly opening valve generally becomes a valve understood, in which the valve needle to open the valve by shifting out of the housing from one Valve seat is lifted off.

Die Dosiervorrichtung weist weiterhin einen Aktorraum auf, in welchem sich ein elektromechanischer Aktor befindet. Unter einem elektromechanischen Aktor wird ein Aktor verstanden, welcher durch Anlegen eines elektrischen Signals, z. B. einer Spannung oder eines Stroms, dehnbar ist. Ein Beispiel für ei nen elektromechanischen Aktor ist ein magnetostriktiver, ein elektrostriktiver oder insbesondere ein piezoelektrischer Ak tor.The metering device also has an actuator space in which is an electromechanical actuator. Under an electromechanical actuator is understood to be an actuator which by applying an electrical signal, e.g. B. one Voltage or current, is stretchable. An example of egg An electromechanical actuator is a magnetostrictive one electrostrictive or in particular a piezoelectric Ak goal.

Der Aktor ist an dem Gehäuse abstützbar. Gleichzeitig ist ein mechanischer Kraftschluß zwischen dem Aktor und der Ventil nadel gegeben, so daß mittels einer Dehnung des elektromecha nischen Aktors eine Hubbewegung der Ventilnadel steuerbar ist. Dabei ist die spezielle Ausgestaltung des Kraftschlusses zwischen Aktor und Ventilnadel dem Fachmann freigestellt. Beispielsweise kann ein rein mechanischer Kraftschluß gegeben sein, z. B. durch eine direkte Anlenkung der Ventilnadel an den Piezoaktor. Es kann aber auch ein mechanisch-hydrauli scher Kraftschluß vorliegen, bei der die Dehnung des Aktors über eine Hydraulikkammer oder über ein Servoventil an die Ventilnadel weitergebbar ist. Durch die Hubbewegung der Ven tilnadel ist eine Öffnung des Ventils durch Abheben der Ven tilnadel vom Ventilsitz steuerbar.The actuator can be supported on the housing. At the same time is a mechanical frictional connection between the actuator and the valve given needle, so that by means of an extension of the electromecha African actuator a stroke movement of the valve needle controllable is. Here is the special design of the adhesion between the actuator and valve needle, the specialist is free. For example, a purely mechanical adhesion can be given be, e.g. B. by direct articulation of the valve needle the piezo actuator. But it can also be a mechanical-hydraulic shear frictional connection, in which the expansion of the actuator via a hydraulic chamber or a servo valve to the Valve needle can be passed on. By lifting the Ven tilnadel is an opening of the valve by lifting the ven valve needle controllable from the valve seat.

Bei einem Aufsatz der Ventilnadel auf den dichtenden Ventil sitz des Gehäuses, auch Dichtsitz genannt, wird durch den Kontakt von Ventilsitz und Ventilnadel eine fluidisch dich tende Dichtfläche, die im wesentlichen der Kontaktfläche ent spricht, definiert. Diese Dichtfläche ist bei einem Abheben der Ventilnadel weiterhin für eine gleiche Fläche an der Ven tilnadel und am Ventilsitz definiert.When the valve needle is attached to the sealing valve The seat of the housing, also called the sealing seat, is determined by the Contact of the valve seat and valve needle a fluidic you ing sealing surface, which ent essentially the contact surface speaks, defines. This sealing surface is when lifting off the valve needle continues for an equal area on the Ven tilnadel and defined at the valve seat.

Bei dieser Dosiervorrichtung mündet mindestens eine mit dem zu dosierenden Fluid druckbeaufschlagbare Bohrung in die Dichtfläche. Dadurch wird erreicht, daß bei Aufsatz der Ven tilnadel auf dem Ventilsitz auch die mindestens eine Bohrung verschlossen wird und bei dem Abheben der Ventilnadel die Mündung der mindestens einen Bohrung freigegeben wird.In this metering device, at least one opens into the fluid to be dosed can be pressurized into the bore Sealing surface. This ensures that when the Ven needle on the valve seat also the at least one hole is closed and when lifting the valve needle Mouth of at least one hole is released.

Es können eine oder mehrere Bohrungen in den Ventilsitz mün den. Diese können einen, je nach Einsatzzweck jeweils unter schiedlichen, Durchmesser aufweisen. Dabei ist zunächst uner heblich, an welcher Stelle die mindestens eine Bohrung in die Dichtfläche mündet. So ist es möglich, daß die Bohrungen alleine durch das Gehäuse, alleine durch die Ventilnadel oder durch Gehäuse und Ventilnadel geführt werden.There may be one or more holes in the valve seat the. Depending on the application, these can be found under have different diameters. At first it is not important significant at which point the at least one hole in the Sealing surface opens. So it is possible that the holes alone through the housing, alone through the valve needle or through housing and valve needle.

Diese Dosiervorrichtung besitzt den Vorteil, daß nur noch ein vernachlässigbar kleines oder kein Speichervolumen des Fluids, also des Totvolumens, im Gehäuse mehr vorhanden ist. Dadurch ist eine exakte Dosierung auch einer kleinen Ein spritzmenge möglich.This metering device has the advantage that only one negligible little or no storage volume of the Fluid, so the dead volume, is more in the housing. This makes exact dosing even a small one amount of spray possible.

Auch ergibt sich der Vorteil, daß ein maximaler Volumenstrom des zu dosierenden Fluids durch die Anzahl und den Durchmes ser der mindestens einen Bohrung genau einstellbar ist.There is also the advantage that a maximum volume flow of the fluid to be dosed by the number and diameter The at least one hole is precisely adjustable.

Es ist ein weiterer Vorteil der Dosiervorrichtung, daß durch die beliebige Verteilung der Bohrungen, auch mit untereinan der verschiedenen Durchmessern, eine Vielfalt, auch asymme trischer, Strahlbilder erzeugbar ist.It is another advantage of the metering device that through the arbitrary distribution of the holes, also with each other of different diameters, a variety, also asymmetrical trischer, beam patterns can be generated.

Es ist zum Schutz des Aktors vorteilhaft, wenn der Aktorraum gegenüber dem Ventil fluidisch abgedichtet ist. Zur Abdich tung ist nur eine Niederdruck-Abdichtung erforderlich, weil das zu dosierende Fluid bei geöffnetem Ventil nahezu ungehin dert aus den Bohrungen austreten kann, so daß nur ein gerin ger Druckaufbau an der Niederdruck-Abdichtung gebildet wird.To protect the actuator, it is advantageous if the actuator space is fluidly sealed from the valve. To Abdich only a low pressure seal is required because the fluid to be dosed almost open when the valve is open can emerge from the holes so that only one clot pressure build-up is formed on the low-pressure seal.

Es ist zur weitflächigen Dosierung sowie zur preiswerten Her stellung der Dosiervorrichtung vorteilhaft, wenn die minde stens eine Bohrung in der Ventilnadel vorhanden ist. Dabei ist es zunächst unerheblich, ob die mindestens eine Bohrung mit einer vollständig durch die Ventilnadel geführten druck beaufschlagbaren Fluidzuleitung verbunden ist oder ob die Fluidzuleitung teilweise in der Ventilnadel und, beispiels weise über eine Verbindungsleitung, teilweise im Gehäuse ge führt wird. It is for large-scale dosing as well as inexpensive manufacture position of the dosing device advantageous if the min at least there is a hole in the valve needle. there it is initially irrelevant whether the at least one hole with a pressure completely passed through the valve needle acted upon fluid supply line is connected or whether the Fluid supply line partially in the valve needle and, for example wise via a connecting line, partly in the housing leads.

Es ist zur einfachen Herstellung und zur Sicherstellung einer langen Lebensdauer besonders vorteilhaft, wenn die Fluidzu leitung vollständig durch die Ventilnadel geführt wird, bei spielsweise um die Längsachse zentriert. Dabei ist es zum einfachen Anschluß zweckmäßig, die Ventilnadel durch eine im elektromechanischen Aktor zentrisch vorhandene Durchführung zu führen.It is for easy manufacture and to ensure one long life particularly advantageous when the fluid is added line is completely led through the valve needle at centered around the longitudinal axis, for example. It is for simple connection expedient, the valve needle by an im Electromechanical actuator with a central bushing respectively.

Es kann aber auch vorteilhaft sein, die Fluidzuleitung nur teilweise in der Ventilnadel zu führen und andererseits im Gehäuse. Dadurch ist z. B. erreichbar, daß der elektromecha nische Aktor nicht modifiziert werden muß.However, it can also be advantageous to only supply the fluid partly in the valve needle and on the other hand in Casing. This z. B. achievable that the elektromecha African actuator does not have to be modified.

Es ist auch günstig, wenn die Bohrungen und die damit verbun dene Fluidzuleitung vollständig im Gehäuse untergebracht ist, weil so das System Aktor-Ventilnadel, welches typischerweise fein abzustimmen ist, nicht modifiziert werden muß. In diesem Fall kann auf ein herkömmliches bzw. nur leicht modifiziertes Antriebssystem zurückgegriffen werden, so daß sich eine vereinfachte Konstruktion und Herstellung ergibt.It is also beneficial if the holes and the associated whose fluid supply line is completely housed in the housing, because so the system actuator valve needle, which is typically is fine-tuned, does not need to be modified. In this Case can be a conventional or only slightly modified Drive system can be used, so that a simplified design and manufacture results.

Es ist auch günstig, wenn die mindestens eine Bohrung gedros selt ausgeführt ist, weil dadurch der maximale Volumenstrom aus der Bohrung heraus einfach und präzise einstellbar ist. Es ist weiterhin vorteilhaft, wenn mehrere Bohrungen vorhan den sind, weil sich so eine feine und großflächige Dosierung bzw. Zerstäubung ergibt.It is also beneficial if the at least one hole is drossed selt is executed, because this is the maximum volume flow easily and precisely adjustable from the hole. It is also advantageous if there are several holes are because there is such a fine and large dosage or atomization results.

Es ist besonders vorteilhaft, wenn der elektromechanische Aktor ein Vielschicht-Piezoaktor ist, weil dieser zuverlässig herstellbar und gut elongierbar ist.It is particularly advantageous if the electromechanical Actuator is a multi-layer piezo actuator because it is reliable can be produced and is easily elongated.

Eine solche Dosiervorrichtung ist besonders vorteilhaft ein setzbar zur Direkteinspritzung von Brennstoff in eine Brenn kammer eines Kraftstoffmotors. Insbesondere günstig ist ein Einsatz zur Benzin-Direkteinspritzung in Ottomotoren und zur Diesel-Direkteinspritzung in Dieselmotoren. Such a metering device is particularly advantageous can be used for the direct injection of fuel into a burner chamber of a fuel engine. A is particularly favorable Use for gasoline direct injection in gasoline engines and Direct diesel injection in diesel engines.

Selbstverständlich sind aber auch andere Anwendungsfälle denkbar, z. B. eine Einspritzung von Kerosin, Alkohol oder Methan sowie eine Zerstäubung von Lösungsmitteln, Wasser oder anderen Stoffen zur Oberflächenbenetzung.Of course, other applications are also possible conceivable, e.g. B. an injection of kerosene, alcohol or Methane and atomization of solvents, water or other substances for surface wetting.

In den folgenden Ausführungsbeispielen wird die Dosiervor richtung schematisch dargestellt.In the following working examples the dosing is carried out direction shown schematically.

Fig. 1 zeigt ein Ausführungsbeispiel einer Dosiervorrichtung in Form eines Kraftstoffeinspritzers zur Benzin-Di rekteinspritzung, Fig. 1 shows an embodiment of a metering device in the form of a fuel injector for direct-injection petrol Di,

Fig. 2 zeigt eine weitere Ausführungsform einer Dosiervor richtung zur Kraftstoff-Direkteinspritzung, Fig. 2 shows another embodiment of a Dosiervor direction for direct fuel injection,

Fig. 3 zeigt einen Ausschnitt einer Dosiervorrichtung gemäß Fig. 1 oder Fig. 2 im Bereich der Bohrungen, Fig. 3 shows a section of a dosing device according to Fig. 1 or Fig. 2 in the region of the bores,

Fig. 4 zeigt eine herkömmliche Dosiervorrichtung, Fig. 4 shows a conventional metering device,

Fig. 5 zeigt eine weitere Ausführungsform einer Dosiervor richtung. Fig. 5 shows a further embodiment of a Dosiervor direction.

Fig. 4 zeigt als Schnittdarstellung in Seitenansicht eine Dosiervorrichtung zur Direkteinspritzung von Benzin in einen Brennraum eines Ottomotors. Fig. 4 shows a sectional side view of a metering device for direct injection of gasoline into a combustion chamber of a gasoline engine.

Ein Gehäuse 1 weist einen Aktorraum 26 zur Aufnahme eines elektromechanischen Aktors auf. Der elektromechanische Aktor besteht aus einem Vielschicht-Piezoaktor ("Piezoelectric mul tilayer actor" = PMA) 11, der mit einer Endfläche auf einer Kopfplatte 12 aufliegt und mit seiner anderen Endfläche auf einer Fußplatte 13 aufliegt. Weiterhin zum Aktor gehört eine Rohrfeder 24, die den PMA 11 seitlich umschließt und die so mit der Kopfplatte 12 und mit der Fußplatte 13 verschweißt ist, daß mit ihrer Hilfe der PMA 11 unter einer Druckvorspan nung gehalten wird. Durch die Druckvorspannung wird ein Ent stehen einer schädlichen Zugspannung im Piezoaktor auch im dynamischen Betrieb verhindert. Eine Dehnung des PMA 11 in Längsrichtung ist über elektrische Anschlüsse 25 steuerbar. A housing 1 has an actuator chamber 26 for receiving an electromechanical actuator. The electromechanical actuator consists of a multi-layer piezo actuator ("Piezoelectric multi-layer actor" = PMA) 11 , which rests on one end plate 12 with one end face and rests on a foot plate 13 with its other end face. Furthermore, the actuator includes a tubular spring 24 which laterally surrounds the PMA 11 and which is welded to the head plate 12 and to the foot plate 13 in such a way that the PMA 11 is held under a pressure preload by means of it. The pressure preload prevents the formation of a harmful tensile stress in the piezo actuator, even in dynamic operation. Elongation of the PMA 11 in the longitudinal direction can be controlled via electrical connections 25 .

Der Aktor wird durch eine Verschweißung der Fußplatte 13 mit dem Gehäuse 1 am Gehäuse 1 abgestützt.The actuator is supported on the housing 1 by welding the base plate 13 to the housing 1 .

An der Kopfplatts 12 ist eine Ventilnadel 3 angelenkt. An dem der Kopfplatte 12 entgegengesetzten Ende ist die Ventilnadel 3 in Form eines Tellerventils 4 ausgearbeitet, so daß sie zu sammen mit einer Wand des Gehäuses 1 ein nach außen öffnendes Ventil darstellt. Das Gehäuse 1 und die Ventilnadel 3 begren zen einen Ventilraum 9, der mittels einer Fluidzuleitung 10 druckbeaufschlagbar ist. Die Fluidzuleitung 10 kann bei spielsweise mit einer Hochdruck-Kraftstoffpumpe verbunden sein.A valve needle 3 is articulated on the top plate 12 . At the opposite end of the head plate 12 , the valve needle 3 is worked out in the form of a poppet valve 4 , so that it represents an outwardly opening valve together with a wall of the housing 1 . The housing 1 and the valve needle 3 limit a valve chamber 9 which can be pressurized by means of a fluid supply line 10 . The fluid supply line 10 can be connected, for example, to a high-pressure fuel pump.

Der Ventilraum 9 ist vom Aktorraum 26 durch einen Dichtblock 7 sowie durch eine in eine Nut des Dichtblocks 7 eingebrachte Abdichtung 8 getrennt. Die Abdichtung 8, hier: ein O-Ring aus einem Elastomermaterial, wird auf die Ventilnadel 3 gepreßt und verhindert so einen Fluidfluß vom Ventilraum 9 durch die Passung zwischen Dichtblock 7 und Ventilnadel 3 in den Aktor raum 26. Dadurch ist der Aktor vor einem schädlichen Einfluß des zu dosierenden Fluids geschützt.The valve chamber 9 is separated from the actuator chamber 26 by a sealing block 7 and by a seal 8 introduced into a groove in the sealing block 7 . The seal 8 , here: an O-ring made of an elastomer material, is pressed onto the valve needle 3 and thus prevents fluid flow from the valve chamber 9 through the fit between the sealing block 7 and the valve needle 3 in the actuator chamber 26 . This protects the actuator from the harmful influence of the fluid to be metered.

Im Ventilraum 9 befindet sich eine Rückstellfeder 5, die sich einerseits am Gehäuse 1 und andererseits an einem an der Ven tilnadel 3 angebrachten Sprengring 6 abstützt. Mittels der Rückstellfeder 5 wird die Ventilnadel 3 in Richtung des Aktors gedrückt und sorgt für eine zusätzliche Druckkraft auf den PMA 11. Andererseits sargt die Rückstellfeder 5 dafür, daß der Ventilteller 4 der Ventilnadel 3 auch bei einem höhe ren Druck des Fluids (typischerweise bis zu 300 bar bei einer Benzin-Direkteinspritzung) in den vom Gehäuse 1 gebildeten Ventilsitz 2 gedrückt wird.In the valve chamber 9 there is a return spring 5 which is supported on the one hand on the housing 1 and on the other hand on a snap ring 6 attached to the Ven tilnadel 3 . By means of the return spring 5 , the valve needle 3 is pressed in the direction of the actuator and provides an additional pressure force on the PMA 11 . On the other hand, the return spring 5 ensures that the valve plate 4 of the valve needle 3 is pressed into the valve seat 2 formed by the housing 1 even at a higher pressure of the fluid (typically up to 300 bar with a direct petrol injection).

Im geschlossenen Zustand ist der PMA 11 und damit der Aktor in Längsrichtung kontrahiert. Die Ventilnadel 3 ist maximal in das Gehäuse 1 zurückgezogen, und der Ventilteller 4 setzt dichtend auf den Ventilsitz 2 auf. Es wird kein Fluid nach außen abgegeben.When closed, the PMA 11 and thus the actuator are contracted in the longitudinal direction. The valve needle 3 is maximally retracted into the housing 1 , and the valve disk 4 is seated on the valve seat 2 . No fluid is released to the outside.

Zur dosierten Abgabe von Fluid wird über die elektrischen An schlüsse 25 ein elektrisches Signal an den PMA 11 geleitet, der dadurch in seiner Längsrichtung elongiert wird. Weil der Aktor über seine Fußplatte 13 fest mit dem Gehäuse 1 verbun den ist, wird die Elongation des PMA 11 in einen Hub der Ven tilnadel 3 umgewandelt. Durch die Hubbewegung der Ventilnadel 3 wird ihr Ventilteller 4 vom Ventilsitz 2 abgehoben und da durch eine Dosieröffnung des Ventils freigegeben. Die Dosier öffnung weist im wesentlichen einen ringförmigen Querschnitt auf, der durch den Durchmesser des Ventilsitzes 2 (auf der Dichtlinie) und dem entsprechenden Durchmesser der Ventilna del 3 bestimmt wird. Bei geöffnetem Ventil fließt Fluid aus der weiten Passung zwischen Ventilnadel 3 und Gehäuse 1 durch die Dosieröffnung nach außen. Im weiteren Verlauf des Dosier vorgangs wird Fluid aus der Fluidzuleitung 10 und aus dem Ventilraum 9 nachgeliefert.For the metered delivery of fluid, an electrical signal is passed to the PMA 11 via the electrical connections 25 , which is thereby elongated in its longitudinal direction. Because the actuator via its base plate 13 is firmly connected to the housing 1 , the elongation of the PMA 11 is converted into a stroke of the valve needle 3 . Due to the lifting movement of the valve needle 3 , its valve disk 4 is lifted off the valve seat 2 and released through a metering opening of the valve. The metering opening essentially has an annular cross section, which is determined by the diameter of the valve seat 2 (on the sealing line) and the corresponding diameter of the Ventilna del 3 . When the valve is open, fluid flows out of the wide fit between valve needle 3 and housing 1 through the metering opening. In the further course of the dosing process, fluid is supplied from the fluid supply line 10 and from the valve chamber 9 .

Zum Schließen des Ventils wird der PMA 11 kontrahiert, bei spielsweise durch Kurzschließen an den elektrischen An schlüssen 25, worauf der PMA 11 wieder durch die von der Rohrfeder 24 und der Rückstellfeder 25 aufgegebenen Kräfte auf seine Länge im Ausgangszustand reduziert wird. Dadurch wird die Ventilnadel 3 in das Gehäuse 1 zurückgezogen und der Ventilteller 4 setzt dichtend auf den Ventilsitz 2 auf.To close the valve, the PMA 11 is contracted, for example by short-circuiting the electrical connections 25 , whereupon the PMA 11 is again reduced to its length in the initial state by the forces exerted by the tubular spring 24 and the return spring 25 . As a result, the valve needle 3 is pulled back into the housing 1 and the valve disk 4 is seated on the valve seat 2 .

Eine solche herkömmliche Dosiervorrichtung weist u. a. den Nachteil auf, daß zwischen der Fluidzuleitung 10 und der Do sieröffnung bzw. dem Ventil ein Totvolumen vorhanden ist, welches hier aus dem Volumen des Ventilraums 9 und dem Volu men der weiten Passung zwischen Ventilnadel 3 und Gehäuse 1 besteht. Ein solches Totvolumen ist aufgrund seiner verzö gernden sowie fluiddynamischen Eigenschaften zur exakten Do sierung einer sehr kleinen Dosiermenge sehr nachteilig. Such a conventional metering device has the disadvantage, among other things, that a dead volume is present between the fluid supply line 10 and the valve opening or the valve, which here consists of the volume of the valve chamber 9 and the volume of the wide fit between the valve needle 3 and the housing 1 . Such a dead volume is very disadvantageous due to its retarding and fluid dynamic properties for exact dosing of a very small amount.

Weiterhin nachteilig ist, daß eine individuelle Einstellung des Strahlbildes, beispielsweise eines asymmetrischen Strahl bildes, nur durch einen vergleichsweise hohen konstruktiven Aufwand erreichbar ist, wobei zudem durch eine Änderung der Form des Ventilsitzes oder der weiten Passung eine ver schlechterte Steuerbarkeit oder ein erhöhter Aufwand zur Sicherstellung einer sicheren Betätigung kommt.Another disadvantage is that an individual setting the beam pattern, for example an asymmetrical beam image, only by a comparatively high constructive Effort is achievable, but also by changing the Shape of the valve seat or the wide fit a ver poorer controllability or an increased effort for Ensuring safe actuation comes.

Zudem ist eine genaue Einstellung des maximalen Volumenstroms durch die Dosieröffnung nur schwer erreichbar.There is also an exact setting of the maximum volume flow difficult to reach through the metering opening.

Es kommt nachteilig hinzu, daß zur Abdichtung des druckbe füllten Ventilraums 9 gegenüber dem in der Regel drucklosen und mit Luft gefüllten Aktorraum 26 eine hochdruckfeste Ab dichtung 8 erforderlich ist, welche entsprechend aufwendig ausfällt.It is disadvantageous that for sealing the Druckbe filled valve chamber 9 with respect to the usually unpressurized and air-filled actuator chamber 26, a high pressure-resistant seal 8 is required, which is correspondingly expensive.

Fig. 1 zeigt als Schnittdarstellung in Seitenansicht eine Ausführungsform der Dosiervorrichtung. Fig. 1 shows a sectional side view of an embodiment of the metering device.

Im Gegensatz zur Dosiervorrichtung in Fig. 4 wird nun die Fluidzuleitung 15 durch das Gehäuse und, über eine flexible Zuleitung 27 verbunden, durch die Ventilnadel 20 geführt. Die Fluidzuleitung 15 reicht in der Ventilnadel 20 bis in den Ventilteller 4 und ist dort mit zwei oder mehreren Bohrungen 14 verbunden, welche in eine durch Dichtsitz 2 und Ventil nadel 20 gebildete Dichtfläche münden. Dadurch wird bei ge schlossener Dosiervorrichtung jede Bohrung 14 durch den Ven tilsitz 2 des Gehäuses 17 verschlossen, und somit eine Abgabe von Fluid aus den Bohrungen unterbunden.In contrast to the metering device in FIG. 4, the fluid supply line 15 is now guided through the housing and, connected via a flexible supply line 27 , through the valve needle 20 . The fluid supply line 15 extends in the valve needle 20 into the valve plate 4 and is connected there with two or more bores 14 which open into a sealing surface formed by the sealing seat 2 and valve needle 20 . As a result, each hole 14 is closed by the valve seat 2 of the housing 17 when the metering device is closed, and thus prevents the release of fluid from the holes.

Zur Dosierung wird der Aktor elongiert und die Ventilnadel 20 verschiebt sich aus dem Gehäuse 17 heraus. Dadurch hebt der Ventilteller 28 vom Gehäuse 17 ab. Durch das Abheben des Ven tiltellers 28 werden die Öffnungen der Bohrungen 14 freigege ben, worauf Fluid aus ihnen abgegeben wird. For dosing, the actuator is elongated and the valve needle 20 moves out of the housing 17 . As a result, the valve plate 28 lifts off the housing 17 . By lifting the Ven tilteller 28 , the openings of the holes 14 are released ben, whereupon fluid is dispensed from them.

Zur Beendigung eines Dosiervorgangs wird der Aktor wieder kontrahiert, so daß der Ventilteller 28 auf den Dichtsitz 2 aufsetzt und somit die Mündungen 14 verschlossen werden.To end a metering process, the actuator is contracted again, so that the valve plate 28 is seated on the sealing seat 2 and the orifices 14 are thus closed.

Eine solche Dosiervorrichtung weist den Vorteil auf, daß durch eine Wahl eines oder mehrerer Durchmesser der Bohrungen 14 ein maximaler Volumenstrom des Fluids einstellbar ist.Such a metering device has the advantage that a maximum volume flow of the fluid can be set by selecting one or more diameters of the bores 14 .

Zudem ist durch eine beliebige Verteilung der Bohrungen 14, wobei diese auch einen untereinander unterschiedlichen Durch messer aufweisen können, eine Erzeugung einer Vielfalt, auch asymmetrischer, Strahlbilder möglich. Dies ist ein besonderer Vorteil bei einer gezielten Steuerung einer Verbrennung in einem Brennraum.In addition, any distribution of the bores 14 , which may also have a different diameter from one another, enables a variety, also asymmetrical, of jet patterns to be generated. This is a particular advantage when controlling combustion in a combustion chamber in a targeted manner.

Weiterhin sehr vorteilhaft ist eine Vermeidung eines Totvolu mens zwischen der Fluidzuleitung 15 und der Einspritzöffnung, welche sich in diesem Fall durch die Summe der Einspritzöff nungen der Bohrungen 14 ergibt. Dadurch ist es möglich, kleine und kleinste Einspritzmengen exakt zu dosieren.It is also very advantageous to avoid dead volume between the fluid supply line 15 and the injection opening, which in this case results from the sum of the injection openings of the bores 14 . This makes it possible to precisely dose small and very small injection quantities.

Zudem muß das Ventil gegenüber dem Aktorraum 26 lediglich durch eine Niederdruck-Abdichtung 23 abgeschlossen werden, wodurch sich ein Vorteil in Bezug auf eine einfache Konstruk tion, eine erhöhte Langlebigkeit und eine größere Auswahl einsetzbarer Materialien ergibt. Der niedrige Druck in der Passung zwischen Ventilnadel 20 und Gehäuse 17, also der Nadelführung 16, ist dadurch zu erklären, daß das Fluid bei geöffneter Dosiervorrichtung nahezu ungehindert aus den Boh rungen 14 austreten kann. Dadurch staut sich kaum Fluid in der Nadelführung 16 entlang der Ventilnadel 20 auf, so daß sich in ihr auch kein nennenswerter Druck bilden kann. Zur Erlangung eines gleichmäßigen Kegelstrahlbildes sind mehrere Bohrungen 14 vorteilhaft.In addition, the valve relative to the actuator chamber 26 only has to be closed by a low-pressure seal 23 , which results in an advantage in terms of simple construction, increased durability and a larger selection of usable materials. The low pressure in the fit between the valve needle 20 and the housing 17 , that is, the needle guide 16 , can be explained in that the fluid can emerge from the bores 14 almost unhindered when the metering device is open. As a result, hardly any fluid builds up in the needle guide 16 along the valve needle 20 , so that no appreciable pressure can build up in it. Several holes 14 are advantageous for obtaining a uniform cone beam image.

Diese Dosiervorrichtung besitzt auch den Vorteil, daß sich ein nur geringerer Mehraufwand in der Herstellung und der Einstellung im Vergleich zur Dosiervorrichtung in Fig. 4 er gibt.This dosing device also has the advantage that there is only a small additional effort in the manufacture and setting compared to the dosing device in Fig. 4 he.

Fig. 2 zeigt als Schnittdarstellung in Seitenansicht eine weitere Ausführungsform der Dosiervorrichtung in Form eines direkt angetriebenen, nach außen öffnenden Kraftstoffein spritzers. Fig. 2 shows a sectional side view of another embodiment of the metering device in the form of a directly driven, outwardly opening fuel injector.

Im Vergleich zur Dosiervorrichtung in Fig. 1 wird nun die Fluidzuleitung 22 vollständig durch die Ventilnadel 30 ge führt. Dadurch entfällt die flexible Verbindung 27. Die weg fallende Bearbeitung des Gehäuses 17 und der Wegfall der fle xiblen Verbindung 27 resultiert in einer vereinfachten Her stellung.In comparison to the metering device in Fig. 1, the fluid supply line 22 is now completely through the valve needle 30 leads ge. This eliminates the flexible connection 27 . The elimination of processing of the housing 17 and the elimination of the flexible connection 27 results in a simplified position.

Zur Anbindung der Fluidzuleitung 22 an einen externen Fluidspeicher wird in diesem Ausführungsbeispiel die Ventil nadel 30 durch eine im Aktor vorhandene Aussparung geführt. Dazu enthalten die Kopfplatte 12 und die Fußplatte 13 jeweils eine um die Längsachse des PMA 11 zentrierte Durchführung. Auch ist der PMA 11 mit einer analogen Durchführung ausge stattet. Zwar ergibt sich hierbei der Nachteil, daß eine Her stellung des Aktors, insbesondere des PMA 11, aufwendiger ist als bei den Dosiervorrichtungen gemäß Fig. 1 und 4, aller dings kann die Ventilnadel 30 vergleichsweise einfach mit dem Aktor verbunden werden.To connect the fluid supply line 22 to an external fluid reservoir, the valve needle 30 is guided through an existing recess in the actuator in this embodiment. For this purpose, the head plate 12 and the foot plate 13 each contain a bushing centered around the longitudinal axis of the PMA 11 . The PMA 11 is also equipped with an analog implementation. Although there is the disadvantage that a position of the actuator, in particular the PMA 11 , is more complex than in the metering devices according to FIGS . 1 and 4, however, the valve needle 30 can be connected to the actuator comparatively easily.

Fig. 3 zeigt eine vergrößerte Darstellung einer Dosiervor richtung gemäß Fig. 1 oder Fig. 2 im Bereich des Ventils. Fig. 3 shows an enlarged view of a Dosiervor direction according to FIG. 1 or Fig. 2 in the region of the valve.

Der Ventilteller 28 und der Ventilsitz 2 sind im Bereich ihrer Dichtfläche kegelförmig ausgestaltet. Der Kegelwinkel des Ventiltellers 28 ist identisch mit dem Kegelwinkel des Ventilsitzes 2. Dadurch ergibt sich eine Dichtfläche (d. h. eine Kontaktfläche zwischen Ventilteller 28 und Ventilsitz 2 im geschlossenen Zustand).The valve plate 28 and the valve seat 2 are conical in the area of their sealing surface. The cone angle of the valve plate 28 is identical to the cone angle of the valve seat 2 . This results in a sealing surface (ie a contact surface between valve plate 28 and valve seat 2 in the closed state).

Im geschlossenen Zustand der Dosiervorrichtung münden zwei oder mehrere gedrosselte Bohrungen 14 in diese Dichtfläche. Die Bohrungen 14 sind mit einer zentralen Fluidzuleitung 15, 22 fluidisch verbunden. Zahl und Durchmesser der Bohrungen 14 werden so festgelegt, daß durch deren Wahl der maximale Durchfluß von Fluid durch die Bohrungen 14 auf ein, typi scherweise auf den Anwendungsfall festgelegtes, Sollmaß be grenzt wird. Zudem wird durch die Wahl das gewünschte, in der Regel gleichmäßige, Kegelstrahlbild am Austritt der Dosier vorrichtung eingestellt. Die Mündungen der Bohrungen 14 sind so eingebracht, daß sie im geschlossenen Zustand der Dosier vorrichtung sowohl zur Nadelführung 16 hin als auch zum Strahlaustritt hin durch die Dichtfläche verschlossen sind.In the closed state of the metering device, two or more throttled bores 14 open into this sealing surface. The bores 14 are fluidly connected to a central fluid supply line 15 , 22 . The number and diameter of the holes 14 are determined so that the maximum flow of fluid through the holes 14 is limited to a, typically fixed to the application, target size by their choice. In addition, the desired, usually uniform, cone jet pattern is set at the outlet of the metering device by the choice. The mouths of the bores 14 are introduced in such a way that they are closed in the closed state of the metering device both towards the needle guide 16 and towards the beam outlet through the sealing surface.

Fig. 5 zeigt eine weitere Ausführungsform der Dosiervorrich tung als Schnittdarstellung in Seitenansicht zur Verwendung als Kraftstoffeinspritzer. Fig. 5 shows another embodiment of the Dosiervorrich device as a sectional side view for use as a fuel injector.

In diesem Ausführungsbeispiel sind die gedrosselten Bohrungen 21 in den Ventilsitz 2 des Gehäuses 1 eingearbeitet. Im Ge häuse 17 befindet sich eine Ringnut 19, die das zu dosierende Fluid über den Umfang verteilt. Der Ventilsitz 2 bildet zu sammen mit dem Ventilteller 28 eine kegelförmige Flächendich tung, bei der der Kegelwinkel des Ventiltellers 28 dem Kegel winkel des Ventilsitzes 2 entspricht. Die Bohrungen 21 sind mit der Ringnut 19 verbunden, welche wiederum mit einer zen tralen Fluidzuleitung 18 verbunden ist.In this embodiment, the throttled bores 21 are incorporated in the valve seat 2 of the housing 1 . In Ge housing 17 there is an annular groove 19 which distributes the fluid to be metered over the circumference. The valve seat 2 forms together with the valve plate 28 a conical surface sealing device, in which the cone angle of the valve plate 28 corresponds to the cone angle of the valve seat 2 . The holes 21 are connected to the annular groove 19 , which in turn is connected to a central fluid supply line 18 .

Im geschlossenen Zustand der Dosiervorrichtung werden die Mündungen der Bohrungen 21 mittels der Dichtfläche zur Nadel führung 16 und zum Strahlaustritt hin dicht verschlossen. In the closed state of the metering device, the mouths of the holes 21 are sealed by means of the sealing surface for the needle guide 16 and for the beam outlet.

Öffnet die Dosiervorrichtung durch Aufladen des PMA 11, so öffnen sich durch Abheben des Ventiltellers 28 die Mündungen der gedrosselten Bohrungen 21, und das Fluid kann durch das Ventil ausströmen. Der Druck des Fluids im Düsenspalt zwi schen Ventilteller 28 und Ventilsitz 2 wird durch die Dros selwirkung der gedrosselten Bohrungen 21 reduziert. Weil das Fluid durch den Düsenspalt nahezu ungehindert austreten kann, staut sich auch kaum Fluid in der Nadelführung 16 entlang der Ventilnadel 20 auf, und es kann sich kein nennenswerter Druck in der Nadelführung 16 aufbauen.If the metering device opens by charging the PMA 11 , the openings of the throttled bores 21 open by lifting the valve plate 28 , and the fluid can flow out through the valve. The pressure of the fluid in the nozzle gap between the valve plate's 28 and valve seat 2 is reduced by the throttling effect of the throttled bores 21 . Because the fluid can emerge through the nozzle gap almost unhindered, hardly any fluid builds up in the needle guide 16 along the valve needle 20 , and no appreciable pressure can build up in the needle guide 16 .

Claims

1. dosing device, comprising

- In a housing ( 17 ) axially displaceably guided Ven tilnadel ( 20 , 30 ), which together with a wall of the housing ( 17 ) constitutes an outward opening valve,
- An actuator chamber ( 26 ) for receiving an electromechanical actuator, which is supported on the housing ( 17 ), a stroke movement of the valve needle ( 20 , 30 ) for opening and closing the valve being controllable by means of an expansion of the actuator,

characterized in that when the valve needle ( 20 , 30 ) is attached to a valve seat ( 2 ) of the valve at least one pressurizable bore ( 14 , 21 ) opens into the sealing surface formed by the valve needle ( 20 , 30 ) and the valve seat ( 2 ) .

2. Dosing device according to claim 1, wherein the at least one bore ( 14 ) in the valve needle ( 20 , 30 ) is present.

3. Dosing device according to claim 1, wherein the at least one bore ( 21 ) in the housing ( 17 ) is present.

4. Dosing device according to one of the preceding claims, wherein the at least one bore ( 14 , 21 ) is throttled.

5. Dosing device according to one of the preceding claims, according to one of the preceding claims, in which the valve is fluidically sealed with respect to the actuator chamber ( 26 ).

6. Dosing device according to one of the preceding claims, in which the electromechanical actuator is a multi-layer piezo actuator ( 11 ).

7. Dosing device according to one of the preceding claims for injecting fuel into a combustion chamber.